JP4965842B2 - Current mirror with fast turn-on time - Google Patents
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Description
本出願は2004年10月6日に提出された米国係属特許出願番号60/616,718号の恩典を権利主張するものである。
本発明は、概してハードディスク・ドライブのデータ保存システムに関し、さらに特定するとハードディスク・ドライブのデータ保存システムの中の電流ミラーをターンオンさせる方法およびハードディスク・ドライブの保存システム用の電流ミラーを有する装置に関する。
This application claims the benefit of US pending patent application No. 60 / 616,718, filed Oct. 6, 2004.
The present invention relates generally to hard disk drive data storage systems, and more particularly to a method of turning on a current mirror in a hard disk drive data storage system and an apparatus having a current mirror for a hard disk drive storage system.
ディスク・ドライブはコンピュータまたは他のデータ処理装置で使用するための費用効果のあるデータ保存システムである。図1に示されるように、ディスク・ドライブ10は中央部13を有するディスクもしくは円盤の形の磁気記録媒体12、および通常ではリードライト・ヘッドと称されるリードライト・トランスデューサ14を有する。リードライト・ヘッド14はディスク12の上に懸架され、かつ回転型アクチュエータ・アーム16に固定された懸架アーム15に取り付けられるか、あるいは一体型に形成される。ディスク・ドライブ10のプラットホーム20に固定された構造体アーム18はピボット継手22でアクチュエータ・アーム16に枢動式に接続される。ヘッド14をディスク12上の選択された位置の上に位置決めするようにボイス・コイル・モータ24がアクチュエータ・アーム16を駆動する。
A disk drive is a cost effective data storage system for use in a computer or other data processing device. As shown in FIG. 1, a
ディスク12がスピンドル・モータ(図示せず)によって或る動作速度で回転させられると、回転するディスクによって作り出される移動空気が懸架アーム15の物理的特徴と結び付いてリードライト・ヘッド14を円盤12から離して持ち上げ、ヘッドがディスク12の表面のわずかに上で空気のクッションの上を滑るか、または飛行することを可能にする。ディスク表面の上のリードライト・ヘッドの飛行高さは通常では1ミクロン未満である。
When the
アームの電子モジュール30は読み取り動作と書き込み動作の間でヘッドの機能を切り換える回路、および書き込み動作時にヘッド14に書き込み電流を供給するための書き込みドライバを有することが可能である。書き込み電流がディスク12の中の磁区を変えることでデータをそこに保存する。アームの電子モジュール30は可撓性の導電性リード線32によってヘッド14に電気的に接続されたプリアンプもやはり含むことが可能である。読み取り動作中に、プリアンプがヘッド14によって作り出された読み取り信号を増幅することで読み取り信号の信号対ノイズ比を上げる。書き込みモードでは、プリアンプはディスクに書かれるデータ・ビットを代表する比較的低い電圧レベルを約+/−6から+/−10Vへと規模拡大させる。プリアンプはまた、データ書き込み処理を最適化するために書き込み信号を整形する。
The arm
電子モジュール30の構成および部品は当該技術に精通した者によって理解されるであろうが、ディスク・ドライブの設計に従って変わり得る。モジュール30はディスク・ドライブ10のどの場所に装着されることも可能であるが、ヘッド14に近い場所が読み取り動作時の信号の損失およびヘッドの信号に誘導されるノイズを最小限にする。モジュール30にとって好ましい装着場所は図1に示されるように構造体アーム18の側面を含む。
The configuration and components of the
図2に示されるように、ディスク12は基板50およびその上に配置される薄膜52を有する。書き込み動作時に書き込みヘッド14Aを流れる電流はデータ・ビットを磁気転移として記憶するために薄膜52内の強磁性材料の磁区を変化させる。読み取り動作時では、読み取りヘッド14Bが磁気転移を感知してディスク12に保存されたデータ・ビットを判定する。
As shown in FIG. 2, the
他のデータ保存システムでは、ヘッド14は例えば硬質の磁気ディスク、可撓性の磁気ディスク、磁気テープ、および光磁気ディスクを含めた多様なタイプの記憶媒体(図示せず)と共に動作する。
In other data storage systems, the
ディスク・ドライブの読み取りヘッド14Bは磁気抵抗(MR)センサまたは誘導センサのどちらかを有する。前者は磁気転移に応答して高い規模の出力信号を作り出し、したがってその出力信号は誘導センサによって作り出される出力信号よりも大きな信号対ノイズ比を示す。したがって、特にディスク・ドライブ10内で大きな区域内データ保存密度が望まれるとき、MRセンサが好ましい。
The disk drive read
約0.04Vから0.2VのDC(直流)電圧がプリアンプによって、読み取りヘッド14Bにバイアスをかけるために導電性リード線32を介して読み取りヘッドの端子54Aと54Bに供給される。読み取りヘッド14Bの下を通過する薄膜52内の磁区が磁気抵抗材料の抵抗を変化させ、DCバイアス電圧にAC(交流)成分を与え、ここでこのAC成分が読み取りデータ・ビットを表わす。このAC成分はプリアンプの中で検出されるが、DCバイアス電圧に対して相対的に小さい規模(例えば数ミリボルト)を有する。
A DC (direct current) voltage of about 0.04V to 0.2V is supplied by the preamplifier to the
データがディスク12から読み取られていない時間中ではプリアンプ読み取り回路の動作は必要とされない。デスクトップ・コンピュータに関すると、電力消費は通常では動作の制限条件ではないので、データがディスク12から読み取られていないときにデスクトップ・コンピュータのディスク・ドライブ・システム内の読み取り回路はオン状態に維持される。この特徴は読み取り回路に関してターンオン時間(特にデータを読み取っているときに動作するプリアンプの電流ミラーに関するターンオン時間)を最小限にし、データ読み取り期間の開始時からプリアンプが磁気転移を処理することを確実化する。
The operation of the preamplifier reading circuit is not required during the time when data is not read from the
デスクトップのプリアンプは、コンピュータが或る延長時間についてディスク・ドライブ10にアクセスしなければ半稼動状態(アイドル・モード)へと切り換えられることが可能であり、コンピュータがスリープ状態に切り換わると極めて低い電力レベル(スリープ・モード)へと中断されることが可能である。ディスク・ドライブ・システム10はプリアンプをスリープもしくはアイドル・モードから完全な稼動モード(例えば読み取りまたは書き込みモード)のうちの1つへと移行させるために比較的長い(すなわち数マイクロ秒から数ミリ秒)電源投入時間を許容する。
The desktop preamplifier can be switched to a semi-operating state (idle mode) if the computer does not access the
デスクトップ・コンピュータ・システムとは対照的に、移動および携帯用演算装置およびデータ処理システム、記録音楽のプレーヤ、およびプリアンプで動作する大量データ保存システムを有するその他の電池動作型装置については、バッテリ電力の消費は決定的な設計目的である。プリアンプの電力消費を最小限にし、それによってバッテリ電力を節約するために、データがハードディスク・ドライブから読み取られていないときにプリアンプ読み取り回路はオフに切り換えられる。例えば、データが書き込まれている間では読み取り回路はオフに切り換えられる。しかし読み取り動作中のデータの喪失を回避し、かつ高速のデータ・アクセスを提供するために、プリアンプ読み取り回路は約100ns以内にオンに切り換わって所望の安定状態の状況に達することが望まれる。 In contrast to desktop computer systems, battery-powered mobile and portable computing devices and data processing systems, recorded music players, and other battery operated devices with mass data storage systems that operate on preamplifiers Consumption is a critical design objective. In order to minimize preamplifier power consumption and thereby conserve battery power, the preamplifier read circuit is switched off when data is not being read from the hard disk drive. For example, the reading circuit is switched off while data is being written. However, in order to avoid loss of data during a read operation and provide fast data access, it is desirable that the preamplifier read circuit turn on within about 100 ns to reach the desired steady state situation.
図2に戻ると、読み取りヘッド14Bから出る出力信号であってディスク・ドライブ10から読み取られるデータ・ビットを表わし、かつ数ミリボルトの範囲の振幅を有する信号は信号処理段102へと入力され、その後段に出力段またはバッファ段が続く。通常では、信号処理段102と出力段104の両方がプリアンプの中に含まれる。出力段104はヘッド信号の電圧を数百ミリボルトの範囲のピーク電圧値へと規模拡大させ、規模拡大した信号をチャネル・チップ106のチャネル回路へと供給する。チャネル・チップ106は電圧パルスから読み取りデータ・ビットを検出しながら、その一方で電圧パルスに誤り検出および補正処理を適用する。
Returning to FIG. 2, an output signal from read
図3は従来式の先行技術による図2の出力段104を例示している。PMOSFET M2がオンにゲート制御されて基準電流Iref0(一実施形態では25マイクロアンペア)を供給し、それが(電流ミラー・マスタとして動作する)バイポーラ接合トランジスタ(BJT)Q1のコレクタCおよびnチャネルの金属酸化物半導体の電解効果型トランジスタ(NMOSFET)M0のゲートGへと向けられてNMOSFET M0をオンに切り換える。PMOSFET M2のソースSおよびNMOSFET M0のドレインDは正の電源電圧VP(一実施形態では約3.3V)へと接続され、M0のソースSはトランジスタQ1のベースBへと接続される。NMOSFET M0がオンであるとき、BJT Q1がオンにゲート制御され、電流Iref0がBJT Q1および抵抗器R11を通ってグラウンドへと流れる。知られているように、BJT製造ステップのばらつき、および動作時の温度ばらつきに起因してBJTのベース電流は5から1の範囲にわたって変わる可能性が高い。抵抗器R7はM0がすべての予期されるステップ、温度、および動作の条件全体にわたって電流ミラー・トランジスタQ1、Q2、Q3、Q4、およびQ5の適切な動作にとって充分なバイアス電流を供給することを確実化するためのNMOSFET M0のプルダウン抵抗器として動作する。バッテリ電力の節約が望ましい用途では、データがディスク12から読み取られていないとき、すなわちデータがディスク12に書き込まれているとき、およびデータが書き込みと読み取りのどちらもされていないアイドル期間中では電流Iref0は打ち切られる。
FIG. 3 illustrates the
BJT Q2、Q3、Q4、およびQ5もやはりNMOSFET M0によってオンにゲート制御される。整合をとられるBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5が実質的に同じベース−エミッタ間電圧を有し、適切に見積もられたエミッタ抵抗器R11、R10、R13、R14、およびR15を伴なって動作すると想定すると、BJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5は規模設定された電流ミラーとして動作する。適切に見積もられたエミッタ抵抗器は、各々の抵抗器R11、R10、R13、R14、およびR15が抵抗器に関連するBJTに基づいて規模設定されることを意味し、すなわちR10=R11/k1、R13=R11/k2、R14=R11/k3、およびR15=R11/k4であり、ここでk1〜k4はQ1のエミッタ面積に相対したBJT Q2〜Q5の各々に関するエミッタ面積比を表わし、すなわちQ2=Q1×k1、Q3=Q1×k2、Q4=Q1×k3、およびQ5=Q1×k4である。BJT Q2、Q3、Q4、およびQ5はそれらに関連するBJT Q7、Q6、Q12、およびQ9のための定電流源として機能する。BJT Q1を通過する電流Iref0は(付随する換算値kに従って)BJT Q2、Q3、Q4、およびQ5を通して映し出され、規模設定される。 BJTs Q2, Q3, Q4, and Q5 are also gated on by NMOSFET M0. The matched BJTs Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5 have substantially the same base-emitter voltage and are accompanied by appropriately estimated emitter resistors R11, R10, R13, R14, and R15. BJT Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5 operate as scaled current mirrors. A properly estimated emitter resistor means that each resistor R11, R10, R13, R14, and R15 is scaled based on the BJT associated with the resistor, ie R10 = R11 / k1. , R13 = R11 / k2, R14 = R11 / k3, and R15 = R11 / k4, where k1-k4 represent the emitter area ratio for each of BJTs Q2-Q5 relative to the emitter area of Q1, ie Q2 = Q1 * k1, Q3 = Q1 * k2, Q4 = Q1 * k3, and Q5 = Q1 * k4. BJTs Q2, Q3, Q4, and Q5 function as constant current sources for their associated BJTs Q7, Q6, Q12, and Q9. The current Iref0 passing through BJT Q1 is projected and scaled through BJT Q2, Q3, Q4, and Q5 (according to the accompanying conversion value k).
BJT Q7のコレクタCは抵抗器R17を通して電源VPへと接続され、Q7のベースBはバイアス電圧(図示せず)および信号処理段102から入る電圧パルスによってドライブされる。BJT Q6およびBJT Q7を含む増幅器が稼動状態にあるとき、BJT Q7はオン状態もしくはオン状況へとドライブされ、BJT Q1を通る電流Irefは抵抗器R10とR17、およびBJT Q7とQ2を通る電流I2として映し出される。BJT Q1とQ2が電流ミラーを形成するのでI2=k1×Irefであり、ここでk1はBJT Q1のエミッタ面積に対するBJT Q2のエミッタ面積比である。通常では、そのような面積比を設けられたBJTは複数の単位トランジスタから形成され、すなわちBJT Q2はBJT Q1を構成する単位トランジスタの数のk1倍を含む。
The collector C of BJT Q7 is connected to power supply VP through resistor R17, and the base B of Q7 is driven by a bias voltage (not shown) and a voltage pulse coming from
エミッタ抵抗器R10およびR11の負帰還作用はBJT Q1とBJT Q2のコレクタを調べると認められるインピーダンスを、Q2のコレクタ−エミッタ間電圧が約0.5Vよりも大きい限りIrefに対するI2の比がQ2のコレクタ−エミッタ間電圧の極めて弱い関数となるように充分に増大させる。したがって、当業者によって理解され得るように、BJT Q2のコレクタ−エミッタ間電圧に伴なうI2の変動はここでは無視される。 The negative feedback action of the emitter resistors R10 and R11 provides an impedance that is observed when examining the collectors of BJT Q1 and BJT Q2, and the ratio of I2 to Iref is Q2 as long as the collector-emitter voltage of Q2 is greater than about 0.5V. It is sufficiently increased to be a very weak function of the collector-emitter voltage. Therefore, as can be understood by those skilled in the art, the variation of I2 with the collector-emitter voltage of BJT Q2 is ignored here.
電流ミラーBJT Q3の状態はNMOSFET M0によって制御される。BJT Q6は、BJT Q6のベースBに信号とDCバイアスの両方を供給する信号処理段102によってバイアスされる。BJT Q3とQ6の両方がオンにゲート制御されると、電流I3が抵抗器R19とR13,およびBJT Q3とQ6を通って流れ、ここでI3=k2×Irefであり、なぜならばBJT Q1とQ3は電流ミラーであってQ3=Q1×k2であるからである。
The state of current mirror BJT Q3 is controlled by NMOSFET M0. BJT Q6 is biased by a
BJT Q6とQ7は、BJT Q6のエミッタとBJT Q7のエミッタとの間に接続された縮退抵抗器R20を備えた差動増幅器を形成し、BJT Q7のエミッタが増幅を直線化し、かつ利得を安定させる。信号処理段102から入る信号は増幅器の入力部(BJT Q6およびQ7の各々のベース)にバイアスを加え、処理されたデータ信号を与え、それがチャネル・チップ106への相互接続、すなわち端子RDPとRDNをドライブする前に出力段104によって増幅され(すなわち規模拡大され)、バッファ処理される。
BJT Q6 and Q7 form a differential amplifier with a degeneration resistor R20 connected between the emitter of BJT Q6 and the emitter of BJT Q7, where the emitter of BJT Q7 linearizes amplification and stabilizes gain Let The signal entering from the
BJT Q9およびQ12はチャネル・チップ106への相互接続を低いインピーダンスからドライブするためにコレクタ負荷R17およびR19をバッファ処理し、それにより、通常では最大で約700MHzまでの広帯域幅を維持する。
BJTs Q9 and Q12 buffer collector loads R17 and R19 to drive the interconnection to
図3では、NMOSFET M0が電流ミラーBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5の各々のためにベース・ドライブ電流を供給する。一実施形態では、各BJTのベース電流は約16マイクロアンペアであって、合計で約80マイクロアンペアである。NMOSFET M0のゲートGへは実質的に電流が流れないので、電流IrefはBJT Q1のコレクタ電流と実質的に同等である。 In FIG. 3, NMOSFET M0 provides base drive current for each of current mirrors BJT Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5. In one embodiment, the base current of each BJT is about 16 microamps, for a total of about 80 microamps. Since substantially no current flows to the gate G of the NMOSFET M0, the current Iref is substantially equal to the collector current of the BJT Q1.
BJT Q1のベース/コレクタ経路およびNMOSFET M0のゲート/ソース経路を含む回路ループはフィードバック・ループを形成し、それはすべてのフィードバック・ループと同様に発振し易い。BJT Q1のコレクタとグラウンドとの間に接続されたキャパシタC0によって発振は制限され、かつ制御される。このループの帯域幅は抵抗器R7によって決定される通りのNMOSFET M0を通る電流によって制御され、かつBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5へと供給されるベース電流によって増大させられる。 The circuit loop including the base / collector path of BJT Q1 and the gate / source path of NMOSFET M0 forms a feedback loop, which is likely to oscillate like all feedback loops. Oscillation is limited and controlled by capacitor C0 connected between the collector of BJT Q1 and ground. The bandwidth of this loop is controlled by the current through NMOSFET M0 as determined by resistor R7 and is increased by the base current supplied to BJT Q1, Q2, Q3, Q4 and Q5.
キャパシタC0がフィードバック・ループの発振を防止することは有利であるけれども、キャパシタC0が充電され終わるまで電流ミラーはオンに切り換わらないので電流ミラーBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5のターンオン時間が長くなることが不利である。電流ミラーがオンに切り換わるまで出力信号は端子RDPとRDNに現れない。したがって、出力信号はキャパシタC0の充電時間によって遅らされる。出力段104の或る実施形態では、出力信号の遅延は約100ナノ秒の目標を上回る。
Although it is advantageous for capacitor C0 to prevent oscillation of the feedback loop, the current mirror BJT Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5 turn-on times since the current mirror does not turn on until capacitor C0 has been charged. Is disadvantageous. The output signal does not appear at terminals RDP and RDN until the current mirror is switched on. Therefore, the output signal is delayed by the charging time of the capacitor C0. In some embodiments of the
一実施形態によると、本発明は電流ミラーを制御するための電流ミラー制御器を有し、これが、中を通る基準電流を有する制御ノード、制御ノードに接続されて基準電流を受け取る電流ミラー・マスタであって、電流ミラーへと接続された電流ミラー・マスタ、電源に接続され、電流ミラー・マスタの状態を制御する第1のスイッチング・デバイス、第1の動作モードの間では制御ノードの電圧を第1の電圧に制御するように構成された回路モジュール、第2の動作モードの間では制御ノードの電圧を第2の電圧に制御するように構成された回路モジュールを有し、電流ミラーが基準電流を映し出す第2の動作モードの間では第1のスイッチング・デバイスが電流ミラー・マスタをオン状態に制御する。 According to one embodiment, the present invention comprises a current mirror controller for controlling a current mirror, which has a reference current passing therethrough, a current mirror master connected to the control node and receiving a reference current A current mirror master connected to the current mirror, a first switching device connected to the power supply and controlling the state of the current mirror master, and the voltage at the control node during the first mode of operation. A circuit module configured to control to the first voltage, and a circuit module configured to control the voltage of the control node to the second voltage during the second operating mode, the current mirror being a reference During a second mode of operation that projects current, the first switching device controls the current mirror master to an on state.
他の実施形態によると、本発明は電流ミラーを制御するための方法を含み、この方法が、キャパシタが接続される制御ノードの電圧を第1の動作モードの間では第1の電圧に、および第2の動作モードの間では第2の電圧に制御するステップ、制御ノードを通る基準電流であって、第2の動作モードの間では電流ミラーによって映し出され、かつ規模設定される基準電流を電流ミラー・マスタへと供給するステップ、およびキャパシタが第2の電圧に充電されるとその後に、基準電流を映し出すために電流ミラーがオンに切り換えられるように第2の動作モードの開始時にキャパシタを第1の電圧から第2の電圧へと充電するステップを含む。 According to another embodiment, the present invention includes a method for controlling a current mirror, wherein the method changes the voltage of a control node to which a capacitor is connected to a first voltage during a first mode of operation, and A step of controlling to a second voltage during the second mode of operation, a reference current through the control node, which is reflected by the current mirror and scaled during the second mode of operation. Supplying the mirror master, and after the capacitor is charged to the second voltage, the capacitor is switched on at the start of the second mode of operation so that the current mirror is switched on to project the reference current. Charging from a voltage of one to a second voltage.
図面と結び付けて以下の本発明の詳細な説明が読まれると、本発明はさらに容易に理解され、かつその利点および使用法がさらに容易に明らかになる。
普通の実践例に従うと、様々な記載の装置の特徴は縮尺通りに作図されておらず、本発明に関連する特定の特徴を強調するように作図されている。参照文字は図および本文全体を通じて類似した素子を示す。
The invention will be more readily understood and its advantages and uses will become more readily apparent when the following detailed description of the invention is read in conjunction with the drawings.
In accordance with common practice, the features of the various described devices are not drawn to scale, but are drawn to emphasize specific features relevant to the present invention. Reference characters indicate similar elements throughout the figures and text.
ディスク・ドライブ・システム用のプリアンプの出力段に関して特定の方法および装置を詳細に述べる前に、本発明が第1に、素子および処理ステップの新規性があって自明ではない組み合わせにあることに気付かれるべきである。当業者によって容易に明らかとなるであろう細部で本開示を不明瞭にしないように、或る一定の素子およびステップはそれほど詳しく提示されていないが、その一方で図面および明細書は本発明の理解に適切な他の素子およびステップをさらに詳しく記述している。 Before discussing in detail a particular method and apparatus for the output stage of a preamplifier for a disk drive system, it will be noted that the present invention is first of all a novel and unobvious combination of elements and processing steps. Should be. In order not to obscure the present disclosure with details that will be readily apparent to those skilled in the art, certain elements and steps have not been presented in so much detail, while the drawings and specification are Other elements and steps suitable for understanding are described in more detail.
図4は図3の出力段104と共に使用するための電流ミラー制御器112(電流ミラー制御器110と置き換わる)を例示しており、これはデータ書き込み中、およびアイドル・モード状態といった非読み込み間隔中にキャパシタC0の電荷を維持することによって電流ミラーBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5のターンオン時間を制限する。上記で述べられたように、データがディスク12から読み取られるとき、電流ミラーがオンに切り換わることでBJT Q6、Q7、Q9、およびQ12を有する増幅器を作動させる。増幅器は信号処理段102から入る電圧を、後に続くチャネル・チップ106内での処理およびデータ検出のために規模拡大させ、かつバッファ処理する。
FIG. 4 illustrates a current mirror controller 112 (replaces current mirror controller 110) for use with
図4の回路では、(データ書き込み中、およびアイドル・モードの間といった)非読み取り間隔の中ではキャパシタC0の電荷を維持する基準電流Iref1を供給するためにPMOSFET M2はオンである。電流ミラーBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5はキャパシタC0が充電されるまでオンに切り換わらないので、キャパシタC0を充電状態に維持する処理は、そうしない場合に読み取り動作の開始時に電流ミラーBJT In the circuit of FIG. 4, PMOSFET M2 is on to provide a reference current Iref1 that maintains the charge on capacitor C0 during non-read intervals (such as during data writing and during idle mode). Since current mirror BJT Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5 do not turn on until capacitor C0 is charged, the process of maintaining capacitor C0 in the charged state is otherwise the current mirror at the start of the read operation. BJT
Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5をオンに切り換える前にキャパシタC0を充電するために必要とされるであろう時間的遅延を回避する。PMOSFET M2はディスク・ドライブがスリープ・モードで動作しているときを除いてすべての時間にオンである。 Avoid time delays that would be required to charge capacitor C0 before switching on Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5. PMOSFET M2 is on at all times except when the disk drive is operating in sleep mode.
バッテリ電力を節約するために、データ書き込みおよびアイドル期間の間は電流ミラーBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5をオフに切り換えることが望ましい。これはNMOSFET M0を通る電流経路を開状態にするためにPMOSFET M4をオフに切り換えることによって達成され、それが電流ミラーBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5へとベース電流ドライブを供給する。PMOSFET M4はゲートGに、書き込みおよびアイドル・モードの間では高レベルである反転読み取り信号を加えることによってオフに切り換えられる。 To conserve battery power, it is desirable to switch off current mirrors BJT Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5 during the data write and idle periods. This is accomplished by switching PMOSFET M4 off to open the current path through NMOSFET M0, which provides base current drive to current mirrors BJT Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5. PMOSFET M4 is switched off by applying an inverted read signal to gate G that is high during write and idle modes.
BJT Q1をオフにすると、PMOSFET M2がノード120およびキャパシタC0を非読み取りの間隔中に望まれる通りに電源電圧VPへと引き上げる。電流ミラーBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5が稼動状態にあるとき、NMOSFET M0、BJT Q1 抵抗器R11、および電流Irefがノード120の電圧を決定することに留意すべきである。
Turning off BJT Q1 causes PMOSFET M2 to pull
読み取り動作の間では、反転読み取り信号は低レベルになり、PMOSFET M4をオンにゲート制御し、NMOSFET M0がベース電流を供給して電流ミラーBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5をオンに切り換えることを可能にする。キャパシタC0は電源VPに充電されているので、読み取りモードの動作の開始時にキャパシタC0はVgsM0+VbeQ1+Iref1×R11の動作電圧へと放電しなければならない。この放電の間隔の中で、BJT Q7のコレクタ電流である電流I2(図3参照)はその意図された値を約20nsに関してオーバーシュートする。この電流のオーバーシュートは図3の出力端子RDPおよびRDNでの出力の共通モード電圧を低下させる原因となり、その後、キャパシタC0がその動作電圧に到達するにつれて緩やかに回復する。オーバーシュートしている間、共通モードの遷移が図3のQ12およびQ9を通してチャネル・チップ106へと供給される。明らかにこれは受容不可能な状況であり、なぜならばディスク12から得られる最初の数データ・ビットの読み取りに悪影響を及ぼす可能性が高いからである。
During the read operation, the inverted read signal goes low, gates PMOSFET M4 on, and NMOSFET M0 supplies the base current to switch on current mirrors BJT Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5. Make it possible. Since the capacitor C0 is charged to the power source VP, the capacitor C0 must be discharged to the operating voltage of Vgs M0 + Vbe Q1 + Iref1 × R11 at the start of the read mode operation. During this discharge interval, the current I2, which is the collector current of BJT Q7 (see FIG. 3), overshoots its intended value for about 20 ns. This overshoot of the current causes the output common mode voltage at the output terminals RDP and RDN of FIG. 3 to decrease, and then gradually recovers as the capacitor C0 reaches its operating voltage. During overshoot, common mode transitions are provided to
図5は電流ミラーのターンオン時間を制限するための電流ミラー制御器122を具体的に示している。図5で、データ書き込みおよびアイドル動作の間ではNMOSFET M6は(NMOSFET M6のゲートGに印加される反転読み取り信号の高論理状態によって)オンに切り換えられ、基準電流Iref2をグラウンドへと分岐させ、キャパシタC0およびノード120をグラウンドへと短絡する。結果として、NMOSFET M0のゲートGが接地電位となってNMOSFET M0はオフになる。ベース電流を供給して電流ミラーをドライブするためにNMOSFET M0を通って電流が流れることはなく、それゆえに電流ミラーBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5はオフである。
FIG. 5 specifically shows a
データ読み取りの間ではNMOSFET M6はオフに切り換えられ、キャパシタC0を電源電圧へと充電することを可能にし、かつNMOSFET M0をゲート制御してオンにすることで電流ミラーBJT Q1、Q2、Q3、Q4、およびQ5のためのベース電流を供給する。しかしながら、キャパシタC0をグラウンドからVgsM0+VbeQ1+Iref2×R11へと充電するために延長されたミラーのターンオン時間(一実施形態では40ns程度の長さ)が必要とされる。そのような長いターンオン時間は受容不可能となる可能性が高く、なぜならばディスク12から読み取られる最初の数データ・ビットが出力段104を通じて適切に処理されない可能性が高いからである。
During data reading, NMOSFET M6 is switched off, allowing capacitor C0 to be charged to the power supply voltage, and NMOSFET M0 to be gated on to turn on current mirror BJT Q1, Q2, Q3, Q4. , And supply the base current for Q5. However, an extended mirror turn-on time (in one embodiment, on the order of 40 ns) is required to charge capacitor C0 from ground to Vgs M0 + Vbe Q1 + Iref2 × R11. Such a long turn-on time is likely to be unacceptable because the first few data bits read from the
図6は、図5の電流ミラー制御器122と比較して相対的に速い安定化時間を有し、かつ図4の電流ミラー制御器112に付随するオーバーシュート期間を回避するさらに別の電流ミラー制御器130の概略図を具体的に示している。電流ミラー制御器130は図3の制御器110に置き換えて使用されることが可能である。
6 is yet another current mirror that has a relatively fast stabilization time compared to the
各々の読み取りサイクルの開始時に電流ミラーのターンオン時間を最小限にするために、非読み取り時間間隔の中で(例えばアイドル/書き込みモードで動作中に)電流ミラー制御器130はノード120の電圧を、読み取りモードの間のノード電圧に近似する電圧へと固定する。一実施形態によると、ノード120のアイドル/書き込みモードのバイアス電圧がノードの読み取りモード電圧よりもわずかに下に設定されることが好ましく、それにより、電流I2は読み取り動作の開始時に意図されるバイアス・レベルをオーバーシュートしなくなる。
NMOSFET M0は電流ミラー制御器130の中で図3〜5の実施形態の中のそれと同じ機能を提供する。
In order to minimize the current mirror turn-on time at the beginning of each read cycle, during a non-read time interval (eg, when operating in idle / write mode),
NMOSFET M0 provides the same function within
アイドルおよび書き込みモードの期間では高論理状態を有する反転読み取り信号がPMOSFET M30をゲート制御する。アイドルおよび書き込みモードの期間では、反転読み取り信号はPMOSFET M30を開状態に制御し、それにより、ミラー・マスタBJT Q1および各々の電流ミラーBJT Q2、Q3、Q4、およびQ5のベースへの電流バイアスを取り除くことによって電流ミラーを遮断する。アイドルおよび書き込みモードの期間について電流ミラーをオフに切り換える処理は電力を節約し、特に、電池で電力供給される装置にとって重要な利点である。 During the idle and write modes, an inverted read signal having a high logic state gates the PMOSFET M30. During idle and write modes, the inverted read signal controls PMOSFET M30 to open, thereby providing a current bias to the base of mirror master BJT Q1 and each current mirror BJT Q2, Q3, Q4, and Q5. Remove the current mirror by removing it. The process of turning off the current mirror for periods of idle and write mode saves power and is an important advantage especially for devices powered by batteries.
PMOSFET M2の制御下で電源VPから供給される電流Iref3はNMOSFET M31をオンに切り換えさせる。アイドル、書き込み、および読み取りのモードの期間中、PMOSFET M2はオンである。好ましい実施形態によると、ディスク・ドライブ10のスリープ・モードの期間ではIref3はオフに切り換えられ、M2をオフに切り換えることによって常に電力はディスク・ドライブ10から取り除かれる。Iref3については25μAが範例の値であり、これは他の実施形態の中のIref2およびIref1と同様である。抵抗器R22はNMOSFET M31のためのプルダウン抵抗器として動作する。
The current Iref3 supplied from the power supply VP under the control of the PMOSFET M2 turns on the NMOSFET M31. During idle, write, and read modes, PMOSFET M2 is on. According to the preferred embodiment, during the sleep mode of
PMOSFET M32はゲートGに印加される読み取り信号の低論理状態によってオンにゲート制御される。したがって、読み取り信号が低位であるとき(アイドルおよび書き込み動作の期間)ではPMOSFET M32がオンであり、トランジスタQ10がオンであり、ノード120、BJT Q10のコレクタ−エミッタ間経路、および抵抗器R20を通るIref3電流を可能にする。ノード電圧はBJT Q10を横切るコレクタ−エミッタ間の電圧降下と抵抗器R20を横切る電圧降下の和に等しい。キャパシタC0はアイドルおよび書き込みのモードに期間にノード電圧へと充電される。キャパシタC0の容量が図3〜6の実施形態の中のそれと同じであることが可能であることに留意すべきである。
PMOSFET M32 is gated on by the low logic state of the read signal applied to gate G. Thus, when the read signal is low (during idle and write operations), PMOSFET M32 is on, transistor Q10 is on, and passes through
ノード電圧を書き込み/アイドル・モードの中と殆ど同じである読み取りモードの中の値に制御するために、R20=R11であり、Q10はQ1と同じ性能パラメータを有する。書き込み/アイドル動作期間についてノード120の電圧が読み取り動作の期間の電圧よりもわずかに低くなることを確実化するために、R7=10kΩである一方でR22=40kΩであり、かつM0が10μm幅である一方でM31が5μm幅であり、書き込み/アイドル・モードでのVgM31が読み取りモードでのVgsM0よりもわずかに低くなることを可能にする。
In order to control the node voltage to a value in the read mode which is almost the same as in the write / idle mode, R20 = R11 and Q10 has the same performance parameters as Q1. To ensure that the voltage at
これらの値が単に範例であり、読み取りモードでのVgsM0よりも低いアイドルおよび書き込みモードでのVgM31を達成するために他の値が使用され得ることを当業者は認識する。例えば、上記で特定されたデバイスのサイズはノード120の電圧を読み取りモードで約1.9V、書き込み/アイドル・モードで1.8Vに制御する。約0.1Vの電圧の差は(例えば部品の値のばらつきに起因して)予期される性能のばらつき、およびアンダーシュートとオーバーシュートの望ましい量に基づいて1つの実施形態に従って選択された。
Those skilled in the art will recognize that these values are merely exemplary and other values can be used to achieve Vg M31 in idle and write modes lower than Vgs M0 in read mode. For example, the device size identified above controls the voltage at
読み取りモードの期間、PMOSFET M30はオンであり、電源VPからMOSFET M0とBJT Q1を含むフィードバック・ループへと電流が供給され、それが電流ミラーBJT Q2、Q3、Q4、およびQ5へとベース電流を供給する。 During read mode, PMOSFET M30 is on and current is supplied from power supply VP to a feedback loop including MOSFET M0 and BJT Q1, which provides base current to current mirrors BJT Q2, Q3, Q4, and Q5. Supply.
さらに読み取りモードの期間では、PMOSFET M32のゲートおよびNMOSFET M34のゲートに印加される読み取り信号がPMOSFET M32をオフに切り換え、NMOSFET M34をオンに切り換える。PMOSFET M32がオフであるとき、BJT Q10のためのベース・ドライブは取り除かれる。さらに、NMOSFET M34がオンであるとBJT Q10のベースはグラウンドへと短絡され、Q10をオフに切り換える。その結果、Iref3がキャパシタC0をその通常の動作電圧へと充電するが、しかしそれは書き込み/アイドル動作の期間中にノード120の電圧に充電されているので充電時間は図5の実施形態のそれから大幅に削減される。
Further, during the read mode period, a read signal applied to the gate of PMOSFET M32 and the gate of NMOSFET M34 switches PMOSFET M32 off and NMOSFET M34 on. When PMOSFET M32 is off, the base drive for BJT Q10 is removed. In addition, when NMOSFET M34 is on, the base of BJT Q10 is shorted to ground, switching Q10 off. As a result, Iref3 charges capacitor C0 to its normal operating voltage, but since it is charged to the voltage at
ノード120を読み取り動作の期間とアイドル/書き込み動作の期間の両方でほぼ同じ電圧に維持することによって、キャパシタC0の充電時間が削減され、電流ミラーのターンオン時間もまた削減される。
By maintaining
他の実施形態では、本願明細書に述べられたような1つまたは複数のMOSFETおよびBJTは反対の極性のMOSFETまたはBJTで置き換えられる。付随するゲート・ドライブ信号および電源電圧は反対の極性のMOSFETまたはBJTのドーピング特性に対処するように変更され、その一方で本発明の機能を供給する。さらに、本発明の説明全体を通して、「高い」信号値という語句は「真の」または「有効な」状態と交換可能なように使用される。他の信号値もやはり「真の」または「有効な」論理状態と結び付けられることが可能であり、デバイス内の対応する変化が論理状態に応答することを当業者は認識する。 In other embodiments, one or more MOSFETs and BJTs as described herein are replaced with opposite polarity MOSFETs or BJTs. The accompanying gate drive signal and power supply voltage are modified to address the doping characteristics of the opposite polarity MOSFET or BJT while providing the functionality of the present invention. Further, throughout the description of the present invention, the phrase “high” signal value is used interchangeably with a “true” or “valid” state. One skilled in the art will recognize that other signal values can also be associated with a “true” or “valid” logic state, and corresponding changes in the device respond to the logic state.
図7は本発明の3つの実施形態に関して時間の関数として電流I2(映し出される電流のうちの1つ)を具体的に示す3つのタイミング図を示している。「オーバーシュート」曲線は図4の実施形態に関連し、「低速」曲線は図5の実施形態に関連し、「高速」曲線は図6の実施形態に関連する。図6の実施形態によって提供される大幅な改善は明白である。 FIG. 7 shows three timing diagrams that specifically illustrate current I2 (one of the currents projected) as a function of time for three embodiments of the present invention. The “overshoot” curve is associated with the embodiment of FIG. 4, the “slow” curve is associated with the embodiment of FIG. 5, and the “fast” curve is associated with the embodiment of FIG. The significant improvement provided by the embodiment of FIG. 6 is apparent.
好ましい実施形態を参照しながら本発明が述べられてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更が為され得ること、および複数の要素に関して同等の要素が代用され得ることは当業者によって理解されるであろう。本発明の範囲はさらに、本願明細書に述べられた様々な実施形態から由来する要素のどのような組み合わせも含む。付け加えると、特定の状況に適合させるために本発明の本質的な範囲から逸脱することなく本発明の教示に改造が為されることが可能である。したがって、本発明が開示された特定の実施形態に限定されないこと、本発明が添付の特許請求項の範囲内に入るすべての実施形態を含むことが意図される。 While the invention has been described with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will recognize that various modifications can be made without departing from the scope of the invention and that equivalent elements can be substituted for multiple elements. Will be understood. The scope of the present invention further includes any combination of elements derived from the various embodiments described herein. In addition, modifications may be made to the teachings of the invention without departing from the essential scope thereof to suit particular circumstances. Accordingly, it is intended that the invention not be limited to the particular embodiments disclosed, but that the invention include all embodiments that fall within the scope of the appended claims.
Claims (10)
中を通る基準電流を有する制御ノードと、
前記制御ノードに接続されて前記基準電流を受け取る電流ミラー・マスタであって、前記電流ミラーへと接続された電流ミラー・マスタと、
電源に接続され、前記電流ミラー・マスタの状態を制御する第1のスイッチング・デバイスと、
第1の動作モードの間では前記制御ノードの電圧を第1の電圧に制御するように構成され、第2の動作モードの間では前記制御ノードの電圧を第2の電圧に制御するように構成された回路モジュールとを有し、
前記第2の動作モードの間では前記第1のスイッチング・デバイスが前記電流ミラー・マスタをオン状態に制御し、その間では前記電流ミラーが前記基準電流を反映し、
前記第1の動作モードが前記電流ミラーに関してオフの状態を含み、前記第2の動作モードが前記電流ミラーに関して電流供給の状態を含み、
前記回路モジュールが前記制御ノードからグラウンドへの制御可能な電流経路を含み、
前記第1の動作モードでは、制御可能な電流経路が第1の抵抗器を含み、前記第1の電圧が前記第1の抵抗器に応答し、前記第1の電圧が前記第1の抵抗器に応答し、
前記第2の動作モードでは前記制御可能な電流経路が第2の抵抗器を含み、前記第2の電圧が前記第2の抵抗器に応答する、ことを特徴とする電流ミラー制御器。 In the current mirror controller for controlling the current mirror,
A control node having a reference current passing therethrough;
A current mirror master connected to the control node for receiving the reference current, the current mirror master connected to the current mirror;
A first switching device connected to a power source and controlling the state of the current mirror master;
It is configured to control the voltage of the control node to the first voltage during the first operation mode, and is configured to control the voltage of the control node to the second voltage during the second operation mode. A circuit module,
During the second mode of operation, the first switching device controls the current mirror master to be on, during which the current mirror reflects the reference current ;
The first operation mode includes an off state with respect to the current mirror, and the second operation mode includes a current supply state with respect to the current mirror;
The circuit module includes a controllable current path from the control node to ground;
In the first mode of operation, the controllable current path includes a first resistor, the first voltage is responsive to the first resistor, and the first voltage is the first resistor. In response to
In the second mode of operation, the controllable current path includes a second resistor, and the second voltage is responsive to the second resistor .
中を通る基準電流を有する制御ノードと、
前記制御ノードに接続されて前記基準電流を受け取る電流ミラー・マスタと、
電源に接続され、前記電流ミラー・マスタ及び対応する電流ミラーの状態を制御する第1のスイッチング・デバイスと、
第1の動作モードの間では前記制御ノードの電圧を第1の電圧に制御するように構成され、第2の動作モードの間では前記制御ノードの電圧を第2の電圧に制御するように構成された回路モジュールとを有し、
前記第2の動作モードの間では前記第1のスイッチング・デバイスが前記電流ミラー・マスタをオン状態に制御し、その間では前記電流ミラーが前記基準電流を反映した電流を発生し、
前記電流ミラーによって発生された電流に応答し、さらに前記ディスク・ドライブから読み取られたデータ・ビットを表わす電圧に応答し、前記データ・ビットを表す前記電圧を増幅する増幅器を有し、
前記第1の動作モードが前記電流ミラーに関してオフ状態を含み、前記第2の動作モードが前記電流ミラーに関して電流供給状態を含み、
前記回路モジュールが、前記制御ノードからグラウンドへの制御可能な電流経路を含み、
前記第1の動作モードでは制御可能な電流経路が第1の抵抗器を含み、前記第1の電圧が前記第1の抵抗器に応答し、
前記第2の動作モードでは前記制御可能な電流経路が第2の抵抗器を含み、前記第2の電圧が前記第2の抵抗器に応答することを特徴とするプリアンプ。 In the pre-amplifier for the disk drive data storage system,
A control node having a reference current passing therethrough;
A current mirror master connected to the control node and receiving the reference current;
A first switching device connected to a power source for controlling the state of the current mirror master and the corresponding current mirror;
It is configured to control the voltage of the control node to the first voltage during the first operation mode, and is configured to control the voltage of the control node to the second voltage during the second operation mode. A circuit module,
During the second mode of operation, the first switching device controls the current mirror master to be in an on state, during which the current mirror generates a current reflecting the reference current;
The response current to the current generated by the mirror, in response to a voltage further representing data bits read from the disk drive, have a amplifier for amplifying the voltage representative of said data bits,
The first operating mode includes an off state with respect to the current mirror, and the second operating mode includes a current supply state with respect to the current mirror;
The circuit module includes a controllable current path from the control node to ground;
In the first mode of operation, a controllable current path includes a first resistor, the first voltage is responsive to the first resistor;
In the second operation mode, the controllable current path includes a second resistor, and the second voltage is responsive to the second resistor .
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